С 1749 г. на военной службе. Участник Семилетней войны. Отличился в Цорндорфском сражении. Один из организаторов дворцового переворота 28 июня 1762 г., за что вновь вступившей на российский престол императрицей Екатериной II произведен в генерал-майоры и возведен в графское достоинство. Фаворит, первый советник императрицы.

Один из основателей Вольного экономического общества; на первом заседании 15 мая 1765 г. был избран его первым президентом. После избрания дворянским депутатом от Копорского уезда Петербургской губернии в Уложенную комиссию 1767 г., в качестве командира взвода кавалергардов участвовал в церемониальном въезде Екатерины II в Кремль по случаю начала работы Комиссии.

В связи с чумным бунтом императрица в своем манифесте повелела Г.Г. Орлову по довольно известной его ревности, усердию и верности к нам и отечеству отправиться в старую столицу. Через пять дней, несмотря на осеннюю распутицу, наделенный чрезвычайными полномочиями граф прибыл в город. Г.Г. Орловым были учреждены предохранительная и исполнительная комиссии, приняты меры по обеспечению оставшегося населения продовольствием, увеличено число карантинов и больниц. Заболевшие обеспечивались не только бесплатным питанием, но одеждой и деньгами. Сам главнокомандующий передал под больницу свой родовой дом на Вознесенской (Малой Никитской) улице; на Таганке на казенный счет открыли заведение для детей-сирот. Более шести тысяч домов, в которых находились заболевшие, были дезинфицированы. По свидетельству современников, Г.Г. Орлов лично посещал госпитали, оказывал пособие зараженным, являлся среди народа, участвовал в крестных ходах . По его распоряжению умерших хоронили только на специально открытых кладбищах.

17 ноября 1771 г. в Сенате слушался указ об отзыве Г.Г. Орлова из Москвы. 21-го он выехал в Петербург, где ему устроили торжественную встречу. В честь главнокомандующего была выбита медаль За избавление Москвы от язвы и воздвигнуты триумфальные мраморные ворота в Царскосельском саду с надписью: Орловым от беды избавлена Москва .

В ноябре 1782 г., уже тяжело больным, вернулся в белокаменную и поселился в Нескучном дворце, где и скончался.

Похоронен в селе Отрадное Серпуховского уезда.